JP2007507774A - Method for simulating the interaction of a compound with an organism - Google Patents

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Abstract

1以上の有効化合物の生物との相互作用を判断する方法は、A)1以上の物質を選択し、その生化学的特徴、親脂性、溶解性、たんぱく結合、分子サイズ、酸又は塩基のpKa値、代謝分解速度、能動トランスポータの速度定数で構成される系の特徴を分析し、B)該生物のコンパートメントを、a)哺乳類は、肺、末梢器官、動脈又は静脈の血管、血液から、b)植物は、木部、師部の流れ、根、葉、茎から選択し、C)コンパートメントから/への物質の輸送、分解、作用に関し、該過程を質量保存の式及び反応速度の式によりプログラムで記述し、D)静脈、経口、皮下投与の場合、質量保存式及び反応速度式により輸送過程をプログラムで記述し、該当する場合、生物の有効化合物の分解過程を記述し、E)ステップC)、D)で選択された式の系を組合せ、得られる連立微分方程式の系を数値計算し、F)選択コンパートメントでの有効化合物の濃度‐時間曲線を決定する。
The method for determining the interaction of one or more active compounds with an organism is: A) Select one or more substances and their biochemical characteristics, lipophilicity, solubility, protein binding, molecular size, acid or base pKa Analyzing the characteristics of the system consisting of values, metabolic degradation rates, active transporter rate constants, B) compartments of the organism, a) mammals from lungs, peripheral organs, arterial or venous blood vessels, blood, b) Plants are selected from xylem, phloem flow, roots, leaves, stems, and C) the process of mass conservation and reaction rate with respect to the transport, degradation and action of substances from / to the compartment. D) In the case of intravenous, oral and subcutaneous administration, describe the transport process by mass conservation equation and reaction rate equation, and if applicable, describe the degradation process of the active compound in the organism. E) Selected in steps C) and D) By combining equations system, a system of differential equations obtained by the numerical calculation, the concentration of active compound in F) selected compartment - determining the time curve.

Description

本発明は、例えば哺乳類、虫、または植物などの生物における化合物の薬物動力学的および薬力学的挙動を計算するコンピュータ・プログラムに関する。生物における化合物の摂取、分配、代謝、および排出の速度および程度は、例えば、薬用有効化合物および作物保護剤の体内での作用に関してきわめて重要であり、あるいは毒物学的リスク評価のためにきわめて重要である。生理学的薬物動力学(PB‐PK)モデリングおよび薬力学(PD)モデリングなどのコンピュータ・プログラムが、化合物の生物との相互作用プロセスを記述するために適している。本発明は、例えば生物、物質、投与の種類、または作用の種類を記述する個々にカプセル化されたモジュールが動的に相互接続される複数レベル・アーキテクチャにもとづき、そのようなモデルをきわめて簡単に生成できるようにする。これらのモジュールを統合モデルへとリンクさせることによって、連立微分方程式(質量保存の式)の系が生成され、ソルバーによって数値的に解かれる。本発明の特有の利点は、モジュール式コンピュータ・プログラムの高い柔軟性にあり、これにより、多数の複雑な生理学的および生化学的シナリオを、きわめて簡単なやり方で生成することができる。この方程式系を生成するために必要な化学的、生物学的、生理学的、および解剖学的な入力パラメータは、1つ以上のリレーショナル・データベースに存在してもよく、あるいはグラフィカル・ユーザ・インターフェイスを介して入力されてもよい。   The present invention relates to a computer program for calculating the pharmacokinetic and pharmacodynamic behavior of a compound in an organism such as a mammal, insect or plant. The rate and extent of compound uptake, distribution, metabolism, and excretion in an organism are, for example, very important with respect to the action of pharmaceutically active compounds and crop protection agents in the body, or very important for toxicological risk assessment. is there. Computer programs such as physiological pharmacokinetic (PB-PK) modeling and pharmacodynamic (PD) modeling are suitable for describing the interaction processes of compounds with organisms. The present invention is based on a multi-level architecture in which individually encapsulated modules describing, for example, organisms, substances, types of administration or types of action are dynamically interconnected, making such a model very simple. To be generated. By linking these modules to an integrated model, a system of simultaneous differential equations (mass conservation equations) is generated and solved numerically by the solver. A particular advantage of the present invention is the high flexibility of modular computer programs, which allows a large number of complex physiological and biochemical scenarios to be generated in a very simple manner. The chemical, biological, physiological, and anatomical input parameters necessary to generate this system of equations may exist in one or more relational databases, or use a graphical user interface. It may be input via.

哺乳類[非特許文献1、非特許文献2、非特許文献3、]、虫[非特許文献4]、または植物[非特許文献5、非特許文献6]などのさまざまな生物について、多数のPB‐PKおよびPDモデルが文献に記載されている。このようなモデルは、生理学的および解剖学的情報ならびに物質特有の物理化学的および生化学的パラメータにもとづいて、化合物の挙動を記述するために成功裏に使用されている。現在の手順は、記述しようとする生物を複数の生理学的コンパートメントへと分割することにある。頻繁には、肝臓、筋肉、または肺などの個々の器官が、これらのコンパートメントに対応する。これらのコンパートメントが、例えば血液の流速などの生理学的パラメータ、ならびにそれらの水分、脂肪、およびたんぱく質の含有量によって特徴付けられる[非特許文献7]。上記の先行技術に詳しく説明されているとおり、生理学的モデルを得るため、これらのコンパートメントが、当該生物の解剖学的パラメータに一致させるべく質量保存の式によって互いに数値的にリンクされる。   For various organisms such as mammals [Non-patent document 1, Non-patent document 2, Non-patent document 3,], insects [Non-patent document 4], or plants [Non-patent document 5, Non-patent document 6] -PK and PD models are described in the literature. Such models have been successfully used to describe the behavior of compounds based on physiological and anatomical information and material-specific physicochemical and biochemical parameters. The current procedure consists in dividing the organism to be described into a plurality of physiological compartments. Frequently, individual organs such as liver, muscle, or lung correspond to these compartments. These compartments are characterized by physiological parameters such as blood flow rates and their water, fat, and protein content [7]. As detailed in the prior art above, to obtain a physiological model, these compartments are numerically linked to each other by a mass conservation equation to match the anatomical parameters of the organism.

R. Kawai, M. Lemaire, J. L. Steimer, A. Bruelisauer, W. Niederberger, M. Rowland: Physiologically based pharmacokinetic study on a Cyclosporin derivative, SDZ IMM 125. J. Pharmacokin. Biopharm. 22, 327‐365(1994);R. Kawai, M .; Lemaire, J. et al. L. Steimer, A.M. Bruelisauer, W.M. Niederberger, M.C. Rowland: Physiologically based pharmacokinetic study on a cyclosporin derivative, SDZ IMM 125. J. et al. Pharmacokin. Biopharm. 22, 327-365 (1994); P. Poulin, F. P. Theil: Prediction of pharmacokinetics prior to in vivo studies. 1. Mechanism‐based prediction of volume of distribution. J. Pharm. Sci. 291, 129‐156(2002);P. Paulin, F.M. P. Theil: Prediction of pharmacokinetics prior to in vivo studies. 1. Mechanism-based prediction of volume of distribution. J. et al. Pharm. Sci. 291, 129-156 (2002); P. Poulin, F. P. Theil: Prediction of Pharmacokinetics prior to in vivo studies. II. Generic physiologically based pharmacokinetic models of drug disposition, J. Pharm. Sci. 91, 1358‐1370(2002)P. Paulin, F.M. P. Theil: Prediction of Pharmacokinetics prior to in vivo studies. II. General physicologically based pharmacokinetic models of drug disposition, J. et al. Pharm. Sci. 91, 1358-1370 (2002) R. Greenwood, M. G. Ford, E. A. Peace, D. W. Salt: The Kinetics of Insecticide Action. Part IV: The in vivo Distribution of Pyrethroid Insecticides during Insect Poisoning. Pestic. Sci. 30, 97‐121(1990)R. Greenwood, M.M. G. Ford, E.M. A. Peace, D.D. W. Salt: The Kinetics of Insectide Action. Part IV: The in vivo distribution of Pyrethroid Insectides durning Insect Poisoning. Plastic. Sci. 30, 97-121 (1990) N. M. Satchivi, E. W. Stoller, L. M. Wax, D. P. Briskin: A nonlinear dynamic simulation model for xenobiotic transport and whole plant allocation following foliar application. Pestic. Biochem. Physiol. 68, 67‐84(2000);N. M.M. Satchivi, E .; W. Stoller, L.M. M.M. Wax, D.D. P. Briskin: A nonlinear dynamic simulation model for xenobiotic transport and whole plant allocation following. Plastic. Biochem. Physiol. 68, 67-84 (2000); N. M. Satchivi, E. W. Stoller, L. M. Wax, D. P. Briskin: A nonlinear dynamic simulation model for xenobiotic transport and whole plant allocation following foliar application. Pestic. Biochem. Physiol. 68, 67‐84(2000)N. M.M. Satchivi, E .; W. Stoller, L.M. M.M. Wax, D.D. P. Briskin: A nonlinear dynamic simulation model for xenobiotic transport and whole plant allocation following. Plastic. Biochem. Physiol. 68, 67-84 (2000) R. Greenwood, M. G. Ford, E. A. Peace, D. W. Salt: The Kinetics of Insecticide Action. Part IV: The in vivo Distribution of Pyrethroid Insecticides during Insect Poisoning. Pestic. Sci. 30, 97‐121(1990)R. Greenwood, M.M. G. Ford, E.M. A. Peace, D.D. W. Salt: The Kinetics of Insectide Action. Part IV: The in vivo distribution of Pyrethroid Insectides durning Insect Poisoning. Plastic. Sci. 30, 97-121 (1990)

従来技術によれば、この数学的な結合は固定であり、すなわち微分方程式が互いにハード・ワイヤード(hard‐wired)である。これはすなわち、モデルが、ひとたび生成されると、コンパートメントの数およびそれらの生理学的回路に関して固定されたままになるということである。本発明は、個々のパラメータに従って可変数のコンパートメントおよびモジュール(例えば、生物、物質、または投与の種類に関する)を動的に相互接続して、対応する生理学的モデルを自動的に生成し、次いで数値的に解く柔軟な方法を開発するという目的にもとづいている。   According to the prior art, this mathematical coupling is fixed, ie the differential equations are hard-wired to each other. This means that once a model is generated, it remains fixed with respect to the number of compartments and their physiological circuitry. The present invention dynamically interconnects a variable number of compartments and modules (eg, with respect to organisms, substances, or types of administration) according to individual parameters to automatically generate a corresponding physiological model and then numerical values It is based on the objective of developing a flexible way to solve the problem.

この技術的課題は、新規なモジュール式のプログラミング法によって解決される。この方法は、互いに独立であり、それ自身において閉じており、かつさまざまな機能(例えば、物質の特性または投与の種類の定義、または検討対象の生物の生理機構の記述、など)を有しているモジュールのライブラリにもとづいている。これらのモジュールが全体モデルを与えるべく動的に組み合わせられるのは、プログラムの実行時間の間だけである。このようにして、本明細書に記載の方法は、さまざまな複雑なシナリオの柔軟な取り扱いを、微分方程式のレベルにおいて変更を実行する必要なく、初めて可能にする。   This technical problem is solved by a novel modular programming method. This method is independent of each other, is closed on its own, and has various functions (eg, definition of substance properties or type of administration, or description of the physiological mechanism of the organism under consideration, etc.) It is based on a library of existing modules. It is only during the execution time of the program that these modules are dynamically combined to give an overall model. In this way, the method described herein allows for flexible handling of various complex scenarios for the first time without having to perform changes at the differential equation level.

モジュール式のプログラミングの考え方は、原理的には、他の適用分野において知られている(例えば、米国特許第5,930,154号明細書または国際公開第WO00/65523号パンフレットを参照されたい。)が、それらは今までのところ、薬物動力学または薬力学の問題には使用されていない。   The idea of modular programming is known in principle in other fields of application (see for example US Pat. No. 5,930,154 or WO 00/65523). However, they have not been used so far for pharmacokinetic or pharmacodynamic problems.

上記の課題を解決する本発明の主題は、1つ以上の有効化合物の生物との相互作用を判断する方法であって、
A)少なくとも1つの物質を選択し、その生理学的および/または生化学的特徴、親脂性、溶解性、たんぱく結合、分子サイズ(分子量またはモル体積で表現される)、酸または塩基の場合のpKa値、代謝分解速度、および能動トランスポータの速度定数で構成されるシリーズからの特徴を分析するステップと、
B)当該生物の解剖学的および生理学的コンパートメントを、少なくとも、a)哺乳類の場合には、肺、末梢器官、好ましくは動脈および/または静脈である血管、あるいは血液のなかから、b)植物の場合には、木部および師部の流れ、ならびに根および/または葉および/または茎のなかから選択するステップと、
C)前記コンパートメントを、コンパートメントからの物質の輸送プロセスおよびコンパートメントへの物質の輸送プロセス、分解プロセス、ならびに作用プロセスに関して、当該プロセスを記述するための質量保存の式および反応速度の式によってコンピュータ・プログラムに記述するステップと、
D)静脈、経口、または皮下投与の場合に、質量保存の式および反応速度の式によってコンピュータ・プログラムに、輸送プロセスを記述し、該当する場合には生物の有効化合物の分解プロセスを記述するステップと、
E)ステップC)およびD)において選択された式の系を組み合わせ、得られる連立微分方程式の系を数値的に計算するステップと、
F)選択されたコンパートメントにおける有効化合物の濃度‐時間曲線を決定するステップと
を含む。
A subject of the present invention that solves the above problems is a method for determining the interaction of one or more active compounds with an organism, comprising:
A) pKa in the case of selecting at least one substance and its physiological and / or biochemical characteristics, lipophilicity, solubility, protein binding, molecular size (expressed in molecular weight or molar volume), acid or base Analyzing features from a series consisting of values, metabolic degradation rates, and active transporter rate constants;
B) the anatomical and physiological compartments of the organism, at least in the case of mammals from the lungs, peripheral organs, preferably blood vessels that are arteries and / or veins, or blood, b) plant In some cases, selecting from xylem and phloem flows and roots and / or leaves and / or stems;
C) a computer program for said compartment by means of a mass conservation equation and a reaction rate equation for describing the process of transporting the substance from the compartment and the process of transporting the substance to the compartment, the decomposition process and the action process; The steps described in
D) In the case of intravenous, oral, or subcutaneous administration, describing the transport process in a computer program with mass conservation equations and reaction rate equations and, where applicable, describing the degradation process of the active compound in the organism When,
E) combining the system of equations selected in steps C) and D) and numerically calculating the resulting system of simultaneous differential equations;
F) determining a concentration-time curve of the active compound in the selected compartment.

上記生物は、好ましくは、ヒト、サル、イヌ、ブタ、ラット、またはマウスで構成されるグループからの哺乳類、あるいは虫とくにはイモ虫、あるいは植物を表わしている。   Said organism preferably represents a mammal from the group consisting of humans, monkeys, dogs, pigs, rats or mice, or insects, in particular caterpillars, or plants.

好ましい実施の形態によれば、有効化合物が、静脈、経口、塗布、皮下、腹腔ルート、鼻または肺を介する吸入ルート、あるいは脳血管内(intracerebrovascular)ルートによって投与され(哺乳類の場合)、もしくは血リンパ内(intrahaemolymphatic)、塗布、あるいは給餌または強制飼養による経口ルートによって投与され(虫の場合)、もしくは葉摂取または根経由摂取による噴霧用混合物の形態で投与される(植物の場合)。   According to a preferred embodiment, the active compound is administered by intravenous, oral, application, subcutaneous, peritoneal route, inhalation route via the nose or lung, or intracerebral blood route (in the case of mammals) or blood It can be administered intralymphatically, by application, or by oral route by feeding or forced feeding (in the case of worms), or in the form of a spray mixture by ingestion of leaves or through roots (in the case of plants).

生物を記述する生理学的パラメータが、時間依存性のパラメータであることを特徴とする方法が好ましい。   Preferred is a method characterized in that the physiological parameter describing the organism is a time-dependent parameter.

この方法の好ましい実施の形態においては、パラメータのいくつかが、コンピュータ・システムにリンクされたデータベースから取得される。   In the preferred embodiment of the method, some of the parameters are obtained from a database linked to a computer system.

好ましい実施の形態においては、生理学的および解剖学的パラメータを、所定の統計的変動の範囲内で、乱数を使用して変化させることができる(集団動態(population kinetics))。   In a preferred embodiment, physiological and anatomical parameters can be varied using random numbers (population kinetics) within predetermined statistical variability.

異なる機能を有するモジュール、および物質の化学的または生物学的特徴を含んでおり、あるいは生物についての生理学的または解剖学的情報を含んでおり、あるいは投与の態様または作用の種類についての情報を含んでいる少なくとも2つのモジュールで構成される階層モデル・アーキテクチャが、コンピュータ・プログラムのために使用される方法が、とくに好ましい。   Modules with different functions and chemical or biological characteristics of the substance, or physiological or anatomical information about the organism, or information on the mode of administration or type of action Particularly preferred is a method in which a hierarchical model architecture consisting of at least two modules is used for a computer program.

この方法のとくに好ましい一変種は、生物についての複数のモデルが、とくには薬‐薬の相互作用、母親‐胎児モデル、または虫‐植物結合モデルをシミュレートするため、統合モデルへと組み合わせられることを特徴とする。   A particularly preferred variant of this method is that multiple models of organisms can be combined into an integrated model, especially to simulate drug-drug interactions, maternal-fetal models, or insect-plant coupled models. It is characterized by.

本発明の核心は、微分方程式(DE)系の動的な生成およびその薬物動力学的および薬力学的問題への適用によるモジュール式シミュレーションの考え方の実現にある。この目的のためのシミュレーション・カーネルは、以下の機能を有する別個独立のモジュールのライブラリで構成される。
●化合物の物理化学特性の定義(例えば、親脂性、血漿たんぱく質との親和性、分子量)
●生物(哺乳類、虫、植物)の解剖学的および生理学的記述
●生物を構成している個々のコンパートメント(器官)の記述
●化合物の投与の種類の記述(例えば、哺乳類においては、静脈、経口、皮下、塗布、または吸入のルートによって投与され、虫の場合には、経口または塗布のルートによって投与され、植物の場合には、噴霧用混合物として投与されて葉で摂取され、あるいは根を介して摂取される)
●数値積分(numeric integration)のための時間ループの定義
●微分方程式系の数値積分(例えば、オイラー(Euler)またはルンゲ‐クッタ(Runge‐Kutta)の方法による)
●シミュレーション結果の保存(例えば、ファイルやデータベースなどに)
The heart of the present invention is the realization of the concept of modular simulation by the dynamic generation of differential equation (DE) systems and their application to pharmacokinetic and pharmacodynamic problems. The simulation kernel for this purpose consists of a library of independent modules with the following functions:
● Definition of physicochemical properties of compounds (eg lipophilicity, affinity with plasma proteins, molecular weight)
● Anatomical and physiological description of the organism (mammals, insects, plants) ● Description of the individual compartments (organs) that make up the organism ● Description of the type of administration of the compound (eg, in mammals, intravenous or oral) Administered by subcutaneous, application, or inhalation route, in the case of worms, by oral or application route, in the case of plants, administered as a spray mixture and taken in the leaves or via the roots Ingested)
● Definition of time loop for numerical integration ● Numerical integration of differential equations (eg, by Euler or Runge-Kutta methods)
● Save simulation results (for example, to a file or database)

これら個々のモジュールが、例えば市販のPCなどのコンピュータ・システムによって、プログラムの実行時間の間、階層的かつ所定のやり方で動的に相互接続される。その後、連立DEQ(質量保存の式)の系が自動的に生成され、数値積分によって解かれる。結果として、モデルが、当該生物の種々のコンパートメントについて各化合物の濃度‐時間曲線をもたらし、次いでこの曲線を、例えば薬理的作用を計算するといった他の目的に使用することができる。   These individual modules are dynamically interconnected in a hierarchical and predetermined manner during the execution time of the program by a computer system such as a commercially available PC. Thereafter, a system of simultaneous DEQs (mass conservation equations) is automatically generated and solved by numerical integration. As a result, the model yields a concentration-time curve for each compound for the various compartments of the organism, and this curve can then be used for other purposes, such as calculating pharmacological effects.

本発明の基となる最小のモデルは、少なくとも1つの物質モジュール、投与モジュール、生物モジュール、DEQビルダー、およびDEQ系のための数値ソルバーで構成され、例えば薬理的作用についてのモジュールなど、随意によるさらなるモジュールで構成される。   The minimal model upon which the present invention is based consists of at least one substance module, a dosing module, a biological module, a DEQ builder, and a numerical solver for the DEQ system, optionally further including, for example, a module for pharmacological action Consists of modules.

物質モジュールは、挙動をシミュレートしようとする物質について、物理化学的および/または生化学的情報を含んでいる。例えばこの情報は、親脂性、例えば水または腸液などへの溶解性、例えば血漿タンパク質のたんぱく結合、分子サイズ(分子量またはモル体積で表現される)、酸または塩基の場合のpKa値、代謝分解速度、および能動トランスポータ(active tansporters)の速度定数(kinetic constants)、などについての値であってよい。これらのパラメータは、一般に、生体外での実験によって決定でき、あるいは例えば親脂性の場合など個々の場合において、例えばQSAR、HQSAR、またはニューロン・ネットワークを使用する公知の予測モデルによって、構造から直接計算することができる。   The material module contains physicochemical and / or biochemical information about the material whose behavior is to be simulated. For example, this information includes lipophilicity, eg solubility in water or intestinal fluid, eg protein binding of plasma proteins, molecular size (expressed in molecular weight or molar volume), pKa value in the case of acids or bases, rate of metabolic degradation , And kinetic constants of active transporters, and the like. These parameters can generally be determined by in vitro experiments, or calculated directly from the structure in individual cases, for example in the case of lipophilicity, for example by known prediction models using QSAR, HQSAR or neuronal networks. can do.

生物モジュールは、物質の相互作用の対象である生物を特徴付けている生理学的および解剖学的情報を含んでいる。生物特有の情報は、とりわけ、個々のコンパートメントの体積、血流の体積流速、ならびに水、脂肪、及びたんぱく質の含有量であり(哺乳類および虫の場合)、あるいは植物の場合には、木部および師部の輸送速度、ならびにシンプラスト、アポプラスト、および液胞の体積である。これらの生理学的パラメータは、時間において一定であってよく、あるいは例えば成長プロセスまたは他の経時の生理学的変化を考慮に入れることができるよう、時間の関数であってよい。これらの生理学的および解剖学的パラメータは、多数の関連の生物について文献に公開されている。   The biology module contains physiological and anatomical information that characterizes the organism that is the subject of the interaction of matter. Biological specific information is, inter alia, the volume of individual compartments, the volumetric flow rate of the blood stream, and the content of water, fat and protein (in the case of mammals and insects), or in the case of plants, the xylem and The phloem transport rate and the volume of symplasts, apoplasts and vacuoles. These physiological parameters may be constant in time, or may be a function of time so that, for example, growth processes or other physiological changes over time can be taken into account. These physiological and anatomical parameters are published in the literature for a number of related organisms.

投与モジュールは、物質の投与の場所および時間推移についての情報を含んでいる。哺乳類について、薬学的有効化合物の投与の従来からの形態は、ボーラスまたは輸液の形態での静脈への投与、溶液、カプセル、またはタブレットの形態での経口での投与、皮下投与、腹腔内投与、皮膚または粘膜を介して吸収される塗布による投与、および鼻または吸入投与である。虫においては、化合物の吸収は、もっぱら経口または局所接触後の外皮経由の吸収である。植物においては、物質の吸収は、根または葉を介して行なわれる。   The dosing module contains information about the location and time course of administration of the substance. For mammals, conventional forms of administration of pharmaceutically active compounds include intravenous administration in the form of boluses or infusions, oral administration in the form of solutions, capsules or tablets, subcutaneous administration, intraperitoneal administration, Administration by application absorbed through the skin or mucous membrane, and nasal or inhalation administration. In insects, compound absorption is exclusively absorption through the integument after oral or topical contact. In plants, the absorption of substances takes place via the roots or leaves.

DEQビルダーは、生体内の質量の平衡にもとづいて、微分方程式系を自動的に生成する。ソルバーは、DEQ系の数値積分を処理し、結果として、生物の各コンパートメントにおける化合物の濃度/時間の推移をもたらす。これらのデータを、例えば目標酵素における薬理的効果を記述するために、さらに利用することができる。   The DEQ builder automatically generates a differential equation system based on the mass balance in the living body. The solver processes the numerical integration of the DEQ system and results in a concentration / time transition of the compound in each compartment of the organism. These data can be further utilized, for example, to describe the pharmacological effects at the target enzyme.

モジュールを動的なやり方でリンクさせるためには、別個のモジュールからの種々の変数が相互依存している可能性があるため、モジュールに含まれている変数の階層的管理が必要とされる。すなわち、例えば、哺乳類の身体の血漿および末梢コンパートメントの間の平衡分配係数を計算するため、(物質モジュールからの)物質特有の物理化学的パラメータが、(生物モジュールからの)生理学的情報と一緒に使用される。同様に、同一生物の個々のコンパートメント間で依存性が存在する。例えば、肺における血流は、哺乳類の身体における血液の循環が閉じた系であるため、他のすべての器官の血流速度の合計の結果である。このような依存性が、それらを自動的に認識して考慮に入れることができるよう、全体的な階層データ構造を必要とする。このような階層データ構造は、本発明の一部である。この目的のため、モジュールは、オブジェクトのデータベースから管理される。オブジェクト・データベースは、所望のとおり動的に拡張でき、これが最大の機能性を保証する。同一または類似の機能を有する複数のモジュールも、容認される。統合モデルの数学的記述のためのデータ構造が、個々のモジュールにカプセル化される。この考え方の特徴は、モジュール間の階層的なデータの組み合わせにあり、これが次に、オブジェクト・モジュールと同様に別個のデータベースによって管理される。これは、他のモジュールからデータへのモデル決定的なアクセスを可能にする。シミュレーション・カーネルのモジュールは、マスター・プログラムによって生成されて、所望の順序に組み合わせられなければならない。   Linking modules in a dynamic manner requires hierarchical management of the variables contained in the modules because various variables from separate modules may be interdependent. That is, for example, to calculate the equilibrium partition coefficient between the plasma and peripheral compartments of the mammalian body, the substance-specific physicochemical parameters (from the substance module) are combined with physiological information (from the biological module). used. Similarly, there are dependencies between individual compartments of the same organism. For example, blood flow in the lungs is a result of the sum of the blood flow velocities of all other organs because the blood circulation in the mammalian body is a closed system. Such dependencies require an overall hierarchical data structure so that they can be automatically recognized and taken into account. Such a hierarchical data structure is part of the present invention. For this purpose, modules are managed from a database of objects. The object database can be expanded dynamically as desired, ensuring maximum functionality. Multiple modules having the same or similar functions are also acceptable. Data structures for mathematical description of the integration model are encapsulated in individual modules. A feature of this idea is the hierarchical combination of data between modules, which is then managed by a separate database, similar to an object module. This allows model definitive access to data from other modules. The modules of the simulation kernel must be generated by the master program and combined in the desired order.

種々の入力パラメータを管理するため、化合物および生物のパラメータのデータベースとの結び付きが、まず実現されている。さらに(あるいは、唯一の代案として)、グラフィカル・ユーザ・インターフェイス(GUI)が、関連のモデルパラメータのすべてが、(a)ユーザにとって視認可能であり、(b)ユーザによって編集可能であることを保証する。モジュールにおける個々のデータの変更は、データ階層に従い、所定のメッセージを介しての、残りのモジュールにおける依存性の検査をもたらす。モデル生成器において、データの依存性の検査は、所与のあらゆる時点においてモデルが正しいことをその生成器が保証する上で不可欠な構成要素である。結果の曲線、および随意によりそれらの曲線から導き出された典型的な薬物動力学パラメータ(例えば、曲線の下方の面積、最大濃度、最大濃度の時点、半減期、など)または薬力学パラメータ(例えば、作用の強度および持続時間)が、GUIによって表示される。   In order to manage the various input parameters, a connection with a database of compound and biological parameters is first realized. In addition (or as the only alternative), a graphical user interface (GUI) ensures that all relevant model parameters are (a) visible to the user and (b) editable by the user. To do. Changes to individual data in a module result in a dependency check in the remaining modules via a predetermined message according to the data hierarchy. In a model generator, checking data dependencies is an essential component for ensuring that the model is correct at any given time. Resulting curves and, optionally, typical pharmacokinetic parameters derived from those curves (eg, area under the curve, maximum concentration, time of maximum concentration, half-life, etc.) or pharmacodynamic parameters (eg, The intensity and duration of action) is displayed by the GUI.

本発明の特有の利点は、種々の複雑なモデルを簡単なやり方で生成できる柔軟性にある。以下の実施例は、この事実を、図面を参照しつつ説明しようとするものである。それらは、複雑さの異なる種々の関連のシナリオを示している。しかしながら、これらの例を、本発明の適用可能性を限定するものとして解釈すべきではない。   A particular advantage of the present invention is the flexibility to generate a variety of complex models in a simple manner. The following example is intended to explain this fact with reference to the drawings. They show various related scenarios with different complexity. However, these examples should not be construed as limiting the applicability of the present invention.

このセクションでは、記述しようとする生物(哺乳類、虫、および植物)について好ましい実施の形態を説明し、次いで、それらの動的シミュレーション・モデルへの取り込みを、実施例に関して示す。   In this section, preferred embodiments are described for the organisms to be described (mammals, worms and plants), and their incorporation into dynamic simulation models is then shown with respect to the examples.

さまざまな生物モジュールの例
図1は、哺乳類の身体についてのきわめて簡略化した4コンパートメントのモデルを示している。ここでは、哺乳類の身体が、静脈血プールおよび動脈血プール、肺、ならびにさらなる末梢コンパートメントのみで構成されており、末梢コンパートメントを介して物質が代謝によって除かれる。末梢コンパートメントへと、動脈血の流れ(血流速度Qorg)によって物質(血中濃度Cin org)が供給されている。このコンパートメントでの相互作用に続いて、静脈血(物質の濃度Cout org)が肺へと流入し、血液の循環が完結する(Qlungs=Qorg)。
Various Biological Module Examples FIG. 1 shows a very simplified four-compartment model for a mammalian body. Here, the mammalian body is composed solely of venous and arterial blood pools, lungs, and additional peripheral compartments through which substances are removed by metabolism. A substance (blood concentration C in org ) is supplied to the peripheral compartment by the flow of arterial blood (blood flow velocity Q org ). Following the interaction in this compartment, venous blood (substance concentration C out org ) flows into the lungs and the circulation of the blood is complete (Q lungs = Q org ).

本発明の好ましい実施の形態においては、図2に示した哺乳類モデルが、生物モジュールとして使用される。ここでも同様に、哺乳類の身体が、動脈血プールおよび静脈血プール、肺コンパートメント、ならびに以下の末梢器官、すなわち肝臓、腎臓、筋肉、骨、脂肪、脳、胃、小腸、大腸、膵臓、脾臓、胆嚢、および精巣で構成されている。この実施の形態を、以下では、「身体全体モデル」と称する。次いで、この身体全体モデルの各器官が、それぞれが血管空間(血漿および赤血球で構成されている)、間質空間、および細胞内空間を表現している複数のサブ・コンパートメントへと分割される(図3)。血漿および間質空間は、平衡にあるものとして取り扱われる。間質空間と細胞内空間との間の物質の輸送が、一次速度式(the first‐order kinetic)に従う受動拡散プロセスまたは飽和可能なミハエリス‐メンテンの式(Michaelis‐Menten kinetic)によってモデル化される能動輸送プロセスとして記述される。同様に、物質の代謝的分解(metabolic degradation)を考慮する1つ以上のミハエリス‐メンテン項が、細胞内サブ・コンパートメントのそれぞれに存在する。   In a preferred embodiment of the present invention, the mammalian model shown in FIG. 2 is used as a biological module. Again, the mammalian body is divided into arterial and venous blood pools, lung compartments and the following peripheral organs: liver, kidney, muscle, bone, fat, brain, stomach, small intestine, large intestine, pancreas, spleen, gallbladder , And is composed of testis. This embodiment is hereinafter referred to as “whole body model”. Each organ of this whole body model is then divided into multiple sub-compartments, each representing vascular space (consisting of plasma and red blood cells), interstitial space, and intracellular space ( FIG. 3). Plasma and interstitial space are treated as being in equilibrium. The transport of substances between the interstitial space and the intracellular space is modeled by a passive diffusion process according to the first-order kinetics or the saturable Michaelis-Menten kinetics Described as an active transport process. Similarly, one or more Michaelis-Menten terms are present in each of the intracellular subcompartments that take into account the metabolic degradation of the substance.

得られる連立微分方程式の系は、以下の形態を有している。すなわち、サブ・コンパートメント「血漿」(pl)、「赤血球」または「血球」(bc)、および「細胞内」(cell)についての3つの微分方程式が、各末梢器官の添え字「org」について存在する。身体全体モデルは、以下の末梢器官、すなわち肺、胃、小腸、大腸、膵臓、脾臓、肝臓、腎臓、脳、心臓、筋肉、骨、皮膚、脂肪、および精巣を含んでいる。以下の質量保存の式が、各器官の血漿および間質空間(int)についてもたらされる。   The resulting system of simultaneous differential equations has the following form. That is, three differential equations for sub-compartments "plasma" (pl), "red blood cells" or "blood cells" (bc), and "intracellular" (cell) exist for each peripheral organ subscript "org" To do. The whole body model includes the following peripheral organs: lung, stomach, small intestine, large intestine, pancreas, spleen, liver, kidney, brain, heart, muscle, bone, skin, fat, and testis. The following mass conservation equations are given for the plasma and interstitial space (int) of each organ:

Figure 2007507774
意味:コンパートメント間の流れの項
Figure 2007507774
Meaning: Flow between compartments

Figure 2007507774
Figure 2007507774

Figure 2007507774
意味:拡散による赤血球への質量輸送
Figure 2007507774
Meaning: Mass transport to red blood cells by diffusion

Figure 2007507774
意味:拡散による細胞内への質量輸送
Figure 2007507774
Meaning: Mass transport into cells by diffusion

Figure 2007507774
意味:細胞内への能動輸送項(influx)
Figure 2007507774
Meaning: Intracellular active transport term (influx)

Figure 2007507774
意味:細胞内からの能動輸送項(efflux)
Figure 2007507774
Meaning: Active transport term (efflux) from inside the cell

以下の質量保存の式が、赤血球についてもたらされる。

Figure 2007507774
意味:コンパートメント間の流れの項
Figure 2007507774
The following mass conservation equation is provided for red blood cells:
Figure 2007507774
Meaning: Flow between compartments
Figure 2007507774

Figure 2007507774
意味:拡散による赤血球への質量輸送
Figure 2007507774
Meaning: Mass transport to red blood cells by diffusion

細胞の内部は、下記の質量保存の式によって記述される。

Figure 2007507774
意味:拡散による細胞内への質量輸送 The interior of the cell is described by the following mass conservation equation.
Figure 2007507774
Meaning: Mass transport into cells by diffusion

Figure 2007507774
意味:細胞内への能動輸送項(influx)
Figure 2007507774
Meaning: Intracellular active transport term (influx)

Figure 2007507774
意味:細胞内からの能動輸送項(efflux)
Figure 2007507774
Meaning: Active transport term (efflux) from inside the cell

Figure 2007507774
意味:代謝による分解(enzyme 1)
Figure 2007507774
Meaning: Metabolic degradation (enzyme 1)

Figure 2007507774
意味:代謝による分解(enzyme 2)
Figure 2007507774
Meaning: Metabolic degradation (enzyme 2)

Figure 2007507774
意味:一次分解(例えば、肝臓または腎臓における)
Figure 2007507774
Meaning: primary degradation (eg in liver or kidney)

肺(org=lng)は、同じように記述されるが、内部への流れが動脈血プール(art)からではなく、静脈血プール(ven)から由来する。

Figure 2007507774
意味:血液の流れが、他の器官と比べて反対である!
Figure 2007507774
The lung (org = lng) is described in the same way, but the inward flow comes from the venous blood pool (ven), not from the arterial blood pool (art).
Figure 2007507774
Meaning: Blood flow is opposite to other organs!
Figure 2007507774

±・・・
意味:他の器官と同様
± ...
Meaning: Like other organs

Figure 2007507774
意味:血液の流れが、他の器官と比べて反対である!
Figure 2007507774
Figure 2007507774
Meaning: Blood flow is opposite to other organs!
Figure 2007507774

±・・・
意味:他の器官と同様
± ...
Meaning: Like other organs

各器官から外へと流れる濃度が組み合わせられて、静脈血プールが形成される。得られる血漿濃度は、個々の器官の濃度の血流加重平均の結果である。

Figure 2007507774
意味:血漿(−)と赤血球(+)との間の拡散による質量輸送 The concentrations that flow out of each organ are combined to form a venous blood pool. The resulting plasma concentration is the result of a blood flow weighted average of individual organ concentrations.
Figure 2007507774
Meaning: Mass transport by diffusion between plasma (-) and red blood cells (+)

Figure 2007507774
意味:血漿クリアランス(該当する場合)
Figure 2007507774
Meaning: Plasma clearance (if applicable)

Figure 2007507774
意味:静脈血プールへの投与についての入力関数
Figure 2007507774
Meaning: Input function for administration to venous blood pool

X={1−HCT(血漿の場合)
{HCT(赤血球の場合)
X = {1-HCT (in the case of plasma)
{HCT (for red blood cells)

最後に、動脈血プールは、下記質量保存の式によって記述される。

Figure 2007507774
意味:血漿(−)と赤血球(+)との間の拡散による質量輸送 Finally, the arterial blood pool is described by the following mass conservation equation:
Figure 2007507774
Meaning: Mass transport by diffusion between plasma (-) and red blood cells (+)

X={1−HCT(血漿の場合)
{HCT(赤血球の場合)
X = {1-HCT (in the case of plasma)
{HCT (for red blood cells)

この方程式系において、
orgは、器官の血管(x=vas)、間質(x=int)、または細胞内空間(x=cell)の体積比を意味し、
orgは、器官の体積を意味し、
HCTは、赤血球濃度(=全血中の赤血球の体積比)を意味し、
orgは、器官における血漿(x=pl)または血球(x=bc)の血流速度を意味し、
PAbc orgは、赤血球の透過率と表面積の積を意味し、
PAorgは、器官の透過率と表面積の積を意味し、
plは、血漿と水の間の物質の平衡分配係数を意味し、
bcは、赤血球と血漿の間の物質の平衡分配係数を意味し、
orgは、器官と血漿の間の物質の平衡分配係数を意味し、
max、Kはそれぞれ、能動輸送および代謝についてのミハエリス‐メンテン定数を意味している。
In this system of equations,
f x org means the volume ratio of organ blood vessels (x = vas), stroma (x = int), or intracellular space (x = cell),
V org means the volume of the organ,
HCT means red blood cell concentration (= volume ratio of red blood cells in whole blood)
Q x org means blood flow velocity of plasma (x = pl) or blood cells (x = bc) in the organ,
PA bc org means the product of red blood cell permeability and surface area,
PA org means the product of organ permeability and surface area,
K pl means the equilibrium partition coefficient of the substance between plasma and water,
K bc means the equilibrium partition coefficient of the substance between red blood cells and plasma,
K org means the equilibrium partition coefficient of the substance between the organ and plasma,
V max and K m mean the Michaelis-Menten constant for active transport and metabolism, respectively.

本明細書にて説明される静脈への投与に代え、あるいは本明細書にて説明される静脈への投与に加えて、経口投与に続く胃腸の粘膜を介しての摂取をシミュレートすることも可能である。この方程式系の解が、モデル中に存在するすべてのコンパートメントについて濃度‐時間の関係をもたらす。   In addition to intravenous administration as described herein, or in addition to intravenous administration as described herein, it is also possible to simulate ingestion through the gastrointestinal mucosa following oral administration. Is possible. The solution of this system of equations yields a concentration-time relationship for all compartments present in the model.

薬理的な作用を記述するため、有効化合物の生物学的ターゲットを含んでいるコンパートメントの濃度‐時間の関係を、薬力学的効果とリンクさせることが可能である。典型的な効果関数の例は、以下のとおりである。   To describe the pharmacological action, the concentration-time relationship of the compartment containing the biological target of the active compound can be linked to the pharmacodynamic effect. An example of a typical effect function is as follows.

●ハイパボリックまたはシグモイダルEmaxモデル:

Figure 2007507774
Effect=薬理的作用のパラメータ(時間に依存する)
=薬理的作用のパラメータのベース値
max=最大の薬理的作用
EC50=最大の効果の50%が得られる濃度
=作用場所における濃度(時間に依存する)
γ=形態パラメータ ● Hyperbolic or Sigmoidal Emax models:
Figure 2007507774
Effect = parameter of pharmacological action (dependent on time)
E 0 = Base value of parameters of pharmacological action E max = maximum pharmacological action EC 50 = concentration at which 50% of maximum effect is obtained C x = concentration at the place of action (time dependent)
γ = form parameter

●べき関数:

Figure 2007507774
または対数線形モデル:
Figure 2007507774
Effect=薬理的作用のパラメータ(時間に依存する)
=薬理的作用のパラメータのベース値
β=濃度の関数としての効果の増大のパラメータ
=作用場所における濃度(時間に依存する)
γ=形態パラメータ ● Power function:
Figure 2007507774
Or a log-linear model:
Figure 2007507774
Effect = parameter of pharmacological action (dependent on time)
E 0 = base value of parameters of pharmacological action β = parameter of increasing effect as a function of concentration C x = concentration at the place of action (time-dependent)
γ = form parameter

●例えば、部分拮抗または全拮抗など、有効化合物相互作用モデル
●例えば複数の作用の中心またはレセプタ‐トランスデューサ相互作用を記述するうえで助けとなる上記モデルの組み合わせ
● Effective compound interaction models, eg partial or total antagonism ● Combination of the above models to help describe multiple action centers or receptor-transducer interactions

本発明のさらなる好ましい実施の形態においては、生物モジュールが、虫とくにはイモ虫(caterpillar)の解剖学的構造を表現している(図4)。イモ虫の身体が、以下のコンパートメント、すなわち中央のコンパートメントとしての血リンパ、末梢コンパートメントとしての外皮、筋肉、脂肪体、神経系、および消化管壁、ならびにそれを経由して物質が周囲と交換される外皮表面および消化管中身のコンパートメントで構成されている。次に、コンパートメント間の質量の移動は、拡散による受動的な移動またはトランスポータの助けによる能動プロセスの形態を取ることができる。得られる微分方程式系は、未だ未公開である独国特許出願(出願番号第10256315.2号)の付録に記載されている。   In a further preferred embodiment of the invention, the biological module represents the anatomy of worms, in particular caterpillar (FIG. 4). The body of the caterpillar is in the following compartments: hemolymph as the central compartment, outer skin as the peripheral compartment, muscles, fat body, nervous system and gastrointestinal wall, and through which the substance is exchanged with the surroundings It consists of the outer skin surface and the digestive tract compartment. Secondly, the movement of mass between compartments can take the form of passive movement by diffusion or active processes with the aid of transporters. The resulting differential equation system is described in the appendix of the unpublished German patent application (Application No. 10256315.2).

図5の植物モデルは、さらなる好ましい実施の形態を構成している。植物の典型的な生理機構に従い、このモデルは、植物の根、茎、および葉を記述している。次いで、これらのコンパートメントのそれぞれが、液胞(vacuole)、シンプラスト(symplast)、およびアポプラスト(apoplast)を表わす3つのサブ・コンパートメントで構成されている。これらのサブ・コンパートメントは、膜によって互いに隔てられている。上述した生物と同様、これらの膜もやはり、受動拡散または能動輸送によって透過可能である。さらに、サブ・コンパートメントは、とくに酸および塩基の分配挙動に大きく影響する異なるpH値によって特徴付けられている。植物は、コンパートメント間の転位経路を2つ有している。アポプラスト内の木部の流束が、根から葉に向かって流れる一方で、師部の流束が、シンプラスト内で物質を葉から根へと移動させる。   The plant model of FIG. 5 constitutes a further preferred embodiment. According to the typical physiological mechanisms of plants, this model describes the roots, stems and leaves of plants. Each of these compartments is then made up of three sub-compartments representing a vacuole, symplast, and apoplast. These sub-compartments are separated from each other by a membrane. Similar to the organisms described above, these membranes are again permeable by passive diffusion or active transport. In addition, the subcompartments are characterized by different pH values that greatly influence the partitioning behavior of acids and bases in particular. Plants have two translocation pathways between compartments. While the xylem flux in the apoplast flows from the root to the leaves, the phloem flux moves the material from the leaves to the roots in the symplast.

モデル構造の例
●最も簡単なモデル構造(図6)
図6は、最も簡単なモデル構造を示している。モデル全体が、「化合物」、「投与」、「生物」、「DEQビルダー」、および「インテグレータ」といったモジュールで構成されている。「作用モジュール」を、随意により考慮に入れることができる。図7は、例えば化合物パラメータまたは当該生物の生理学的および解剖学的情報を含むことができる1つ以上のデータベースへのリンクを、概念的に示している。
Model structure example ● The simplest model structure (Fig. 6)
FIG. 6 shows the simplest model structure. The entire model is composed of modules such as “compound”, “administration”, “organism”, “DEQ builder”, and “integrator”. “Action modules” can optionally be taken into account. FIG. 7 conceptually illustrates links to one or more databases that can include, for example, compound parameters or physiological and anatomical information of the organism.

●複数投与(図8)
1つの同じ生物に対する有効化合物の繰り返しの投与は、例えば抗感染の有効化合物など、長い期間にわたって規則的な間隔で摂取されなければならない多数の薬用化合物にとって、現実的なシナリオである。このモデルは、例えば個々の生物における有効化合物の蓄積など、長期にわたる影響を、どのようにシミュレートできるのかについての例である。
● Multiple administration (Figure 8)
Repeated administration of active compounds to one and the same organism is a realistic scenario for a large number of medicinal compounds that must be taken at regular intervals over a long period of time, for example anti-infective active compounds. This model is an example of how long-term effects, such as the accumulation of active compounds in individual organisms, can be simulated.

●腸肝循環(図9)
哺乳類へと投与された一連の化合物は、腸肝循環に入る。そのような場合、投与された化合物のいくらかが、変化することなく肝臓において胆液へと隠され、胆嚢(図9において、器官Nで表わされている)へと蓄積される。化合物の刺激が引き金となって、例えば食事の摂取などにより胆嚢が収縮し、内容物すなわち胆液が十二指腸へと放出されるが、この胆液には、とくに有効化合物が含まれている。次いで、この化合物が、消化管によって吸収され、再び全身の循環に入る可能性がある。図8に概説したモデルにおいて、このプロセスを、単に元の化合物の一部の新たな腸への投与(投与2、時間差を特徴とする)として記述することができる。
● Enterohepatic circulation (Figure 9)
A series of compounds administered to mammals enters the enterohepatic circulation. In such cases, some of the administered compound is hidden in the bile in the liver without change and accumulates in the gallbladder (represented by organ N in FIG. 9). The stimulation of the compound triggers the gallbladder to shrink, for example by eating food, and the contents, that is, the bile, is released into the duodenum. This bile contains a particularly active compound. This compound can then be absorbed by the gastrointestinal tract and enter the systemic circulation again. In the model outlined in FIG. 8, this process can be described simply as the administration of a portion of the original compound to a new intestine (dosing 2, characterized by a time difference).

●薬‐薬の相互作用(図10)
複数の化合物(この例では、2つの化合物)のお互いの間の相互作用は、きわめて重要である。モデルによれば、この場合を以下のように見ることができる。生物1および2が、同一の生理学的パラメータによって定義される。何故ならば、生物1および2が1つの同じ生物を表わしているためである。2つの異なる化合物が、別個に投与される。これら2つの化合物について、投与の経路、時期、および継続時間は相違してよい。2つの化合物の実際の相互作用は、生物1および2の器官Nをリンクする作用モジュールに定められる。例えば、相互作用は、競合的阻害であってよく、生じうる他の任意の生化学的相互作用であってよい。
● Drug-drug interaction (Figure 10)
The interaction between multiple compounds (in this example, two compounds) between each other is extremely important. According to the model, this case can be seen as follows. Organisms 1 and 2 are defined by the same physiological parameters. This is because organisms 1 and 2 represent one and the same organism. Two different compounds are administered separately. For these two compounds, the route, timing and duration of administration may be different. The actual interaction of the two compounds is defined in an action module that links the organs N of organisms 1 and 2. For example, the interaction can be competitive inhibition and any other biochemical interaction that can occur.

●母親‐胎児モデル(図11)
図11の母親‐胎児モデルは、別々であるが結合している2つの生物が同時にモデル化される例である。生物1が母親を表わす一方で、生物2が胎児を表わしている。胎児の血液循環が、胎盤(この場合では、生物1の器官Nで表わされている)を介して母親の血液循環に接続される。この例においては、母体内の胎児の妊娠週令および成長を正確に考慮に入れることができるよう、生理学的パラメータとくには胎児の器官の体積および血流速度が、時間の関数でありうる点が、きわめて重要である。
● Mother-fetus model (Figure 11)
The maternal-fetal model of FIG. 11 is an example in which two separate but connected organisms are modeled simultaneously. Living organism 1 represents a mother, while living organism 2 represents a fetus. The blood circulation of the fetus is connected to the mother's blood circulation via the placenta (in this case represented by organ N of organism 1). In this example, physiological parameters, particularly fetal organ volume and blood flow velocity, can be a function of time so that the fetal pregnancy age and growth of the mother can be accurately taken into account. Is very important.

●植物/虫の組み合わせモデル(図11)
母親‐胎児モデルと同様、植物/虫モデルも、結合された2つの生物の組み合わせであるが、この場合には、生物の生理機構が相違している。生物1が、葉の外皮または根を介して投与された例えば殺虫剤などの化合物を吸収する植物を記述している。この生物の全体への分配の後に、この化合物が、残りのコンパートメントにおいても利用可能になる。この植物の特定のコンパートメントを構成している葉からの供給によって、化合物を虫(生物2)に摂取させることが可能であり、この虫において化合物が分配され、最終的に、例えばイモ虫の神経系など目標とする器官において、殺虫の作用が達成される。
● Plant / Insect Combination Model (Figure 11)
Like the maternal-fetal model, the plant / worm model is a combination of two living organisms, but in this case the biological mechanisms of the organisms are different. Describes a plant in which organism 1 absorbs a compound, such as an insecticide, administered via a leaf crust or root. After distribution throughout the organism, the compound is also available in the remaining compartments. By feeding from the leaves that make up this particular compartment of the plant, it is possible to feed the compound (organism 2), in which the compound is distributed and eventually, for example, nerves of the tubeworm Insecticidal action is achieved in target organs such as the system.

●上述の例のさらなる組み合わせ
上述の例のさらなる組み合わせも、やはりきわめて重要である。例えば、母親‐胎児モデルにおける相互作用する2つ以上の物質の複数回の投与を、胎児に対する毒物学的リスクの早期評価に使用することが可能である。
Further combinations of the above examples Further combinations of the above examples are also very important. For example, multiple administrations of two or more interacting substances in a maternal-fetal model can be used for early assessment of toxicological risk to the fetus.

●哺乳類の身体全体モデルについてのシミュレーション結果
以下のテキストでは、シミュレーションの実行に必要とされるステップを、例として示す。まず、化合物依存特性を決定しなければならない。下記表1の化合物依存パラメータを有する化合物Xを例として使用する。
● Simulation results for the whole body model of mammals The following text provides an example of the steps required to perform a simulation. First, compound dependent properties must be determined. Compound X having the compound dependent parameters of Table 1 below is used as an example.

Figure 2007507774
Figure 2007507774

今や、器官分配係数を、公開済みの式[M. Harter, J. Keldenich, W. Schmitt: Estimation of physicochemical and ADME parameters, Ch. 26 in: Combinatorial Chemistry‐A Practical Handbook, Part IV. Eds. K. C. Nicolau et al., Wiley VCH, Weinheim, 2002]の助けによって、親脂性(MA=10^LogMA)および非結合血漿部分(f)から計算することができる。今回の例では、器官分配係数について以下の値がもたらされる。下記表2は、表1の値からもたらされる分配係数[8]である。 Now, the organ partition coefficient is expressed in the published equation [M. Harter, J .; Keldenich, W.M. Schmitt: Estimation of physicochemical and ADME parameters, Ch. 26 in: Combinatorial Chemistry-A Practical Handbook, Part IV. Eds. K. C. Nicolau et al. , Wiley VCH, Weinheim, with the aid of 2002, can be calculated from the lipophilic (MA = 10 ^ LogMA) and unbound plasma portion (f u). In this example, the following values are provided for the organ partition coefficients: Table 2 below is the partition coefficient [8] resulting from the values in Table 1.

Figure 2007507774
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さらに、器官の体積、器官の血流の速度および組成などの生理学的パラメータが、血管、間質、および細胞空間に関して、既知でなければならない。これらのパラメータは、やはり文献に記載されている。例えば、表3〜5に挙げる値を、マウス、ラット、イヌ、およびヒトの種について見つけることができる。
下記表3は、マウス、ラット、イヌ、およびヒトの器官の体積(文献データ)である。
In addition, physiological parameters such as organ volume, organ blood flow velocity and composition must be known in terms of blood vessels, stroma and cell space. These parameters are also described in the literature. For example, the values listed in Tables 3-5 can be found for mouse, rat, dog, and human species.
Table 3 below shows the volume (document data) of mouse, rat, dog, and human organs.

Figure 2007507774
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下記表4は、マウス、ラット、イヌ、およびヒトの器官の血流速度(文献データ)である。

Figure 2007507774
Table 4 below shows blood flow velocities (literature data) of mouse, rat, dog, and human organs.
Figure 2007507774

下記表5は、哺乳類の器官の組成(文献データ)である。

Figure 2007507774
Table 5 below shows the composition (literature data) of mammalian organs.
Figure 2007507774

以下のテキストでは、図3に示したような身体全体モデルによって実現されたシミュレーション結果を示す。最も簡単な境界線の場合として、器官への輸送が血流に限られている(すなわち、PAorg→無限大)と仮定した。 The following text shows the simulation results realized by the whole body model as shown in FIG. As the simplest boundary case, it was assumed that transport to the organ was limited to blood flow (ie PA org → infinity).

図12は、ラットについて、ボーラスの形態で化合物Xを1mg/kgで静脈に投与した後に得られる各器官の濃度を示している。   FIG. 12 shows the concentration of each organ obtained after intravenous administration of Compound X at 1 mg / kg in the form of a bolus for rats.

図13は、異なる4つの種について、ボーラスの形態で化合物Xを1mg/kgで静脈に投与した後の血漿における濃度‐時間曲線を、シミュレートして示している。   FIG. 13 shows simulated concentrations-time curves in plasma after intravenous administration of Compound X at 1 mg / kg in bolus form for four different species.

図14は、ヒトのさまざまな器官について、ボーラスの形態で化合物Xを1mg/kgで3日間にわたって複数回静脈に投与した後の濃度‐時間曲線を示している(投与計画:6h‐6h‐12h、図8のモデルに従って計算)。   FIG. 14 shows concentration-time curves after various intravenous doses of Compound X in bolus form at 1 mg / kg over 3 days for various human organs (dosing schedule: 6h-6h-12h). , Calculated according to the model of FIG.

図15は、ヒトについて、化合物Xを1mg/kgで経口投与した後の血漿における濃度‐時間曲線を、腸肝循環なしおよび腸肝循環ありについて、図9のモデルに従って計算して示している(胆液におけるクリアランスが全クリアランスの25%に相当すると仮定している)。   FIG. 15 shows the concentration-time curve in plasma after oral administration of Compound X at 1 mg / kg for humans, calculated according to the model of FIG. 9 with no enterohepatic circulation and with enterohepatic circulation ( It is assumed that clearance in bile is equivalent to 25% of total clearance).

4コンパートメントの哺乳類モデルの概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a four-compartment mammalian model. 哺乳類の身体全体の生理学的モデルの概略図である。1 is a schematic view of a physiological model of the entire mammalian body. 身体全体モデルにおける器官の概略図である。It is the schematic of the organ in a whole body model. イモ虫についての生理学的モデルの概略図である。1 is a schematic diagram of a physiological model for a caterpillar. 生理学的植物モデルの概略図である。1 is a schematic view of a physiological plant model. FIG. 最も簡単なモデル・シナリオの概略図であり、モデルが「化合物」、「投与」、「生物」、「DEQビルダー」、および「インテグレータ」の各モジュールで構成されており、随意により「作用モジュール」を考慮に入れることができる。Schematic diagram of the simplest model scenario, where the model consists of “compound”, “administration”, “biology”, “DEQ builder”, and “integrator” modules, optionally “action module” Can be taken into account. シミュレーション・モデルのデータベースおよびグラフィカル・ユーザ・インターフェイスへのリンクの概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a link to a simulation model database and a graphical user interface. 複数の投与についてのモデルの概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram of a model for multiple administrations. 腸肝循環へと入る物質についてのモデルの概略図である。It is the schematic of the model about the substance which enters into the enterohepatic circulation. 2つの物質間の相互作用を記述するためのモデルの概略図である。It is the schematic of the model for describing the interaction between two substances. 相互作用する2つの生物についてのモデルの概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram of a model for two interacting organisms. ラットの種々の器官における物質の濃度‐時間曲線である。2 is a concentration-time curve of substances in various organs of rats. 種々の哺乳類の血漿における物質の濃度‐時間曲線である。Figure 2 is a concentration-time curve of substances in the plasma of various mammals. ヒトの種々の器官における物質の濃度‐時間曲線である。2 is a concentration-time curve of substances in various human organs. 経口投与後のヒトの血漿における物質の濃度‐時間曲線である。Figure 2 is a concentration-time curve of a substance in human plasma after oral administration.

Claims (8)

1つ以上の有効化合物の生物との相互作用を判断する方法であって、
A)少なくとも1つの物質を選択し、その生理学的および/または生化学的特徴、親脂性、溶解性、たんぱく結合、分子サイズ(分子量またはモル体積で表現される)、酸または塩基の場合のpKa値、代謝分解速度、および能動トランスポータの速度定数で構成されるシリーズからの特徴を分析するステップと、
B)当該生物の解剖学的および生理学的コンパートメントを、少なくとも、a)哺乳類の場合には、肺、末梢器官、好ましくは動脈および/または静脈である血管、あるいは血液のなかから、b)植物の場合には、木部および師部の流れ、ならびに根および/または葉および/または茎のなかから選択するステップと、
C)前記コンパートメントを、コンパートメントからの物質の輸送プロセスおよびコンパートメントへの物質の輸送プロセス、分解プロセス、ならびに作用プロセスに関して、当該プロセスを記述するための質量保存の式および反応速度の式によってコンピュータ・プログラムで記述するステップと、
D)静脈、経口、または皮下投与の場合に、質量保存の式および反応速度の式によってコンピュータ・プログラムで輸送プロセスを記述し、該当する場合には生物の有効化合物の分解プロセスを記述するステップと、
E)ステップC)およびD)において選択された式の系を組み合わせ、得られる連立微分方程式の系を数値的に計算するステップと、
F)選択されたコンパートメントにおける有効化合物の濃度‐時間曲線を決定するステップと
を含む方法。
A method for determining the interaction of one or more active compounds with an organism, comprising:
A) pKa in the case of selecting at least one substance and its physiological and / or biochemical characteristics, lipophilicity, solubility, protein binding, molecular size (expressed in molecular weight or molar volume), acid or base Analyzing features from a series consisting of values, metabolic degradation rates, and active transporter rate constants;
B) the anatomical and physiological compartments of the organism, at least in the case of mammals from the lungs, peripheral organs, preferably blood vessels that are arteries and / or veins, or blood, b) plant In some cases, selecting from xylem and phloem flows and roots and / or leaves and / or stems;
C) a computer program for said compartment by means of a mass conservation equation and a reaction rate equation for describing the process of transporting the substance from the compartment and the process of transporting the substance to the compartment, the decomposition process and the action process; The steps described in
D) for intravenous, oral or subcutaneous administration, describing the transport process in a computer program with a mass conservation equation and a reaction rate equation, and where applicable, describing the degradation process of the active compound in the organism; ,
E) combining the system of equations selected in steps C) and D) and numerically calculating the resulting system of simultaneous differential equations;
F) determining a concentration-time curve of the active compound in the selected compartment.
前記生物は、ヒト、サル、イヌ、ブタ、ラット、又はマウスで構成されるグループからなる哺乳類、あるいはイモ虫を含む虫、あるいは植物を表わすことを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the organism represents a mammal consisting of a group consisting of humans, monkeys, dogs, pigs, rats, or mice, or an insect or plant containing a tuberworm. 前記有効化合物が、哺乳類の場合には、静脈、経口、塗布、皮下、腹腔ルート、鼻または肺を介する吸入ルート、あるいは脳血管内ルートによって投与され、もしくは虫の場合には、血リンパ内、塗布、あるいは給餌または強制飼養による経口ルートによって投与され、もしくは植物の場合には、葉摂取または根経由摂取による噴霧用混合物の形態で投与されることを特徴とする請求項1または2に記載の方法。   The active compound is administered by intravenous, oral, application, subcutaneous, abdominal route, inhalation route through the nose or lung, or intracranial route in the case of mammals, or in the hemolymph in the case of worms, Application according to claim 1 or 2, characterized by being administered by oral route by application or feeding or gavage, or in the case of plants in the form of a spray mixture by ingestion of leaves or ingestion via roots. Method. 前記生物を記述する生理学的パラメータは、時間依存性のパラメータであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the physiological parameter describing the organism is a time-dependent parameter. 前記パラメータのいくつかが、当該コンピュータ・システムにリンクされているデータベースから取得されること特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。   5. A method as claimed in any preceding claim, wherein some of the parameters are obtained from a database linked to the computer system. 前記生理学的および解剖学的パラメータが、所定の統計的変動の範囲内で、乱数によって変化させられること(集団動態)を特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the physiological and anatomical parameters are varied by random numbers (population dynamics) within a predetermined statistical variation. 異なる機能を有するモジュール、および物質の化学的または生物学的特徴を含んでおり、あるいは生物についての生理学的または解剖学的情報を含んでおり、あるいは投与の態様または作用の種類についての情報を含んでいる少なくとも2つのモジュールで構成される階層モデル・アーキテクチャが、前記コンピュータ・プログラムのために使用されることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。   Modules with different functions and chemical or biological characteristics of the substance, or physiological or anatomical information about the organism, or information on the mode of administration or type of action 7. A method according to any one of the preceding claims, wherein a hierarchical model architecture consisting of at least two modules is used for the computer program. 前記生物についての複数のモデルが、とくには薬‐薬の相互作用、母親‐胎児モデル、または虫‐植物結合モデルをシミュレートするため、統合モデルへと組み合わせられることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
A plurality of models for the organism are combined into an integrated model, particularly for simulating drug-drug interactions, maternal-fetal models, or insect-plant coupled models. The method according to any one of 7 above.
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